[00945989]强脉冲功率中的若干关键技术及应用

在惯性约束聚变、高功率激光、放电加工、环境保护和新材料制备等应用中，作为驱动源的脉冲电源是关键的组成部分之一。建立紧凑型的高功率脉冲电源系统是这类装置的基本要求。探求影响长寿命关键单元器件的实现技术，缩小器件与模块的体积，优化能源系统参数，促进能源系统的小型化，同时提高电源的稳定可靠性，研究成果对具有自主知识产权的高电磁参数脉冲功率系统的实现和长时间稳定运行将起到重要的促进作用。取得的主要技术成果有：(1)适用于高压、大电流条件下的高功率器件技术。器件参数居国内领先水平，接近国际最高水平。(a)研制的干式1.0kJ/L高储能密度电容器寿命大于10000次(与国际2007报道的最高水平相同)，干式1.6kJ/L的高储能密度电容器寿命大于1000次(国际最高水平：油浸式2.2kJ/L，1000次)。(b)研制出的两电极开关，可达到耐压50kV，最大通流能力500kA，单次转移库仑量大于100C，寿命远大于150kC(国际最高水平：额定通流能力500kA，单次转移库仑量100C，寿命283kC)。(2)大功率电容器充电及高精度充电保持技术。提出了串并联谐振充电拓扑谐振参数设计及控制方法，及更为合理的含分布电容的串联谐振高频高压变压器参数设计方法。(a)提出了大功率充电与微小功率保持充电电路拓扑，充电功率达到40kW，充电和保持精度优于1‰。(b)提出了限功率充电技术方案：在满足充电速率要求的前提下，大大减小了充电电源的输入峰值功率，可将充电电源的峰值输入功率限制在传统恒流充电的60﹪。(3)脉冲功率小型化集成技术。在电磁、热、机械应力等多物理场分析的基础上，实现了脉冲电源集成系统的模块化和小型化。针对强电磁干扰环境，提出了基于宏概念的监测与控制系统的新设计理念和抗干扰技术协调应用的新技术方案。(a)将新设计理念和新技术方案成功地应用于惯性约束聚变装置中高功率脉冲功率系统的监测与控制，经过多年的运行表明，平均无故障时间达到20000小时，效果良好。(b)研制出的高功率脉冲成形网络脉冲电流输出幅值达500kA/500kJ，单模块储能密度达0.6MJ/m<'3>，并通过了0.9MJ/m<'3>的试验验证。推广应用前景与措施：强脉冲功率系统在国防和民用领域有广阔的应用前景和现实的应用需求。在惯性约束聚变、高功率激光、环境保护等应用中，脉冲电源作为电能驱动源，是这类装置最为关键的组成部分之一。建立具有高可靠性的紧凑型高功率脉冲电源系统是这类装置的基本要求。满足高功率参数要求的小型化高可靠性高功率器件，以及基于高功率器件的稳定可靠的紧凑型脉冲功率系统，对惯性约束聚变等装置和系统的发展和应用具有重要意义。由于大电流开关、高储能密度电容器、高功率脉冲集成系统在军民两用领域重要的应用需求，美国、俄罗斯、欧盟等发达国家对该项技术的研究极为重视，且对其输出控制极为严格，中国无法从国际上获得较完善的信息、技术与产品。因此，具备自主知识产权的高功率器件技术和小型化高可靠性系统集成技术，对于打破国外封锁、推动中国强脉冲功率技术的发展和应用具有重要的推广应用价值，将产生极其重要的经济和社会效益。高压脉冲电容器充电电源是脉冲功率系统的重要组成部分。高精度、限功率充电技术不但能为高频高压电源在军事、民用领域的更广泛应用提供技术支持，还将为脉冲功率系统在惯性约束聚变以及诸如新材料制备、生物医疗、环保等民用领域的应用强有力的支撑和保证。强电磁干扰是脉冲功率装置的监测与控制系统必须面对的问题，因此，在高可靠性监测与控制系统的研究成果也将会在中国各类大型脉冲功率系统取得应用。随着强脉冲功率技术的迅速发展和关键技术的实现，其在国防和民用领域的应用将得到进一步推动和拓展，对脉冲功率技术的研究需求也将得到进一步重视。这类强脉冲功率系统关系到重大国计民生，研发过程将促进中国电气、材料、电子、能源等方面技术水平的加速发展，具有重要的应用前景。